射流泵装置结构优化及抗磨损研究

摘要

由于水资源的缺乏，我国部分地区的地表及地下水位不断下降，许多灌排地区水位距地面达8m以上。由于离心泵结构原理的限制，普通离心泵的吸上高度一般在5m以下，不能满足该类地区的提水灌溉要求。射流泵装置由工作泵和射流泵组成，吸上高度可达 10m 以上，可通过柴油机等动力机驱动。但由于射流泵装置的工作原理限制，存在性能偏低，实际吸上高度的性能测试难度大，在泥沙水环境中运行易发生磨损破坏等问题。为此，本文对射流泵装置的性能预测方法进行了研究，通过试验设计及数值模拟等手段对射流泵装置水力性能和抗磨损性能的提升进行了研究，主要内容包括： （1）射流泵装置性能预测 为解决射流泵装置开发设计过程中，搭建实际吸上高度的性能试验台成本高、难度大等问题，提出了一种准确可靠的射流泵装置性能预测方法。首先，通过解析法和图解法分别对4.5m及9m吸上高度的射流泵装置性能参数进行求解并对结果进行比较，发现解析法的平均误差低于图解法。为进一步提高解析法预测精度，以射流泵扬程Hc预测值与试验值的比值α作为修正系数，利用遗传算法对流量比q、面积比m及修正系数α三者关系进行公式自动搜索拟合得到修正系数α的计算式及射流泵扬程Hc预测值修正公式。通过在3.5m和8m的吸上高度性能试验验证修正公式的准确性及合理性，试验结果表明各工况点的相对误差都在5%以内，满足装置性能预测的要求。 （2）射流泵结构尺寸的响应面优化 为提高射流泵装置水力性能，采用 Plackett-Burman （ PB ）试验设计、Box-Behnken（BB）试验设计与响应曲面分析对射流泵装置中射流泵的尺寸参数进行优化研究。采用PB试验设计，通过射流泵装置性能试验，从8个影响射流泵装置水力性能的因素中找出影响显著的因子，即面积比m、喷嘴直径d和流量比q。以被吸液流量Qs和射流泵扬程Hc、射流泵装置效率η作为响应指标，建立反映不同响应指标与变量之间关系的多元回归模型，研究各因素对不同响应指标的影响。利用回归模型进行单目标与多目标的参数优化，确定了各优化指标下的最佳参数组合。多目标优化的参数组合为：面积比3.43、流量比0.68、喷嘴直径16.99mm，对应响应量为：被吸液流量13.54m3/h、射流泵扬程10.03m、射流泵装置效率 44.67%。通过试验验证不同指标优化结果的准确性，预测值与试验值的误差小于6%，说明预测回归模型具有较高的可信度。 （3）射流泵装置双出口工作泵性能分析 为研究工作泵的出口结构对射流泵装置性能的影响，通过试验和数值模拟等手段对不同出口结构的工作泵性能进行了分析。通过单双出口工作泵性能试验结果对比发现，相对单出口情况，双出口工作泵的工况点向大流量方向显著偏移。将双出口工作泵的性能曲线作为设计依据，对射流泵进行重新设计并进行试验验证，结果表明射流泵装置性能得到了显著提高，设计工况点效率提高了3%。通过数值模拟得到30mm、40mm、50mm三种不同回水出口直径的工作泵的性能，发现增加回水出口直径能显著增大工作泵出水量，并推导了双出口工作泵不同回水出口直径与流量和扬程的关系。 (4) 旋流式射流泵内部流动研究及结构优化 为提高射流泵效率，在射流泵的喷嘴前增加固定导叶产生旋流，并对这种旋流式射流泵的内部流动及其尺寸参数对性能的影响进行研究。利用数值模拟比较和分析无旋射流泵与旋流式射流泵的内部流动，并通过正交试验得到各尺寸参数对旋流式射流泵效率影响的主次顺序。数值模拟结果表明，无旋射流泵的喷嘴出口两侧压力不平衡导致了射流偏移，在扩散管处出现明显的回流漩涡，而旋流式射流泵通过固定导叶产生旋流有效抑制了射流偏移。正交试验结果表明，影响旋流式射流泵效率的因素主次顺序为：面积比m，固定导叶数z，工作水入流角β，导叶高度hv。最佳的尺寸参数组合方案为：面积比4.37，导叶数4，导叶高度110mm和工作水入流角50°。 （5）射流泵抗磨损性能研究 为减小射流泵装置在含沙水流中运行时射流泵遭到的磨损破坏，对射流泵的抗磨损性能进行优化。首先提出了一种经济有效的材料表面磨损情况预测方法，再利用该方法得到抗磨损性能最好的参数组合。结合粒子垂直撞击平板试验与数值模拟结果，得到在特定材料下（316L不锈钢）的磨损等高线图，并通过不同喷嘴出口速度的垂直撞击平板试验对磨损等高线图的通用性进行了试验验证，结果表明该方法可用于预测。通过PB试验设计得到显著影响材料磨损情况的射流泵参数，利用D-optimal试验设计得到性能最佳的射流泵参数组合。结果表明，当射流泵的参数组合为喷嘴角度为39.85°，面积比为5.84，喷嘴直径为18mm时，射流泵的抗磨损性能和水力性能都达到最佳，对应的最大磨损率为0.18，效率为16.8%。根据最佳参数组合加工了射流泵样机，验证了预测结果的可靠性，并通过扫描电镜对喷嘴处的磨损疤痕进行了观察，结论与数值模拟分析结果一致。

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